Experimental and numerical investigation of unsteady flow around cylinder with four plates perpendicular to it with the rotational degree of freedom

Document Type : Original Article

Authors

1 Aerospace Faculty-Shahid Sattari Aeronautical University of Technology

2 Aerospace Faculty- Shahid Sattari Aeronautical University of Technology- Tehran-Iran

3 Department of Postgraduate Studies. Shahid Sattari Aeronautical University of Science and Technology

Abstract

In this study, the behavior of a subject consisting of a cylinder with 4 plates perpendicular to it with a rotational degree of freedom under airflow both through the numerical approach, known as improved discrete vortex and experimental approach were investigated. The experimental and numerical results have shown that oscillating regime occurs in low velocity and length. This movement is vibrations with irregular range around an equilibrium angle of 45 degree. In oscillating motion regime, it is seen that after releasing the object in free flow, a high torque force, due to the flow’s acceleration from the model, is induced to the plates and makes a big angular change, but after a while, the range of oscillation around the equilibrium angle of 45 degree decreases. The probability of rotational motion regime in length ratio of one and velocity of 13 m/sec in initial angle of attack is low. However, the experimental and numerical results have indicated that still in high initial angle of attack around 45 degree, owing to the induced decreased torque to plates, there exists an oscillating movement. Rotational regime in length ratio of 3 and free flow velocity 13 m/sec in all initial angle of attack is observed. In addition, rotational regime appears in all initial angle of attack with the length ratio of 4 and different free flow velocities because of increase in the area of plates.

Keywords


Article Title [فارسی]

بررسی تجربی و عددی جریان ناپایا حول حول یک سیلندر بهمراه چهار صفحه عمود بر آن با درجه آزادی چرخشی

Authors [فارسی]

  • حسن عیسوند 1
  • احمد شرفی 2
  • علی سلمانی نژاد 3
1 دانشکده مهندسی هوافضا- دانشگاه علوم وفنون هوایی شهید ستاری
2 دانشکده مهندسی هوافضا- دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری-تهران-ایران
3 دانشکده تحصیلات تکمیلی- دانشگاه علوم و فنون هوایی شهید ستاری
Abstract [فارسی]

در این تحقیق، رفتار جسمی متشکل از استوانه با چهار صفحه عمود بر آن با درجه آزادی چرخشی تحت جریان هوا هم با روش عددی موسوم به گردابه گسسته و هم با روش آزمایشگاهی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج عددی و تجربی نشان می‌دهد که رفتارهای حرکتی دورانی و نوسانی و ترکیبی از آنها رخ می‌دهد. این نوع رفتارها به مشخصات هندسی از جمله نسبت طول صفحات به شعاع استوانه، زاویه حمله اولیه جسم و سرعت جریان آزاد بستگی دارد. نتایج حاصل از روش تجربی و عددی نشان دهنده آن است که رژیم حرکتی نوسانی در نسبت‌های طولی کم و سرعت جریان آزاد پایین اتفاق می‌افتد. و این نوع حرکت به شکل نوسانات با دامنه نامنظم حول زاویه تعادلی 45 درجه می‌باشد. در رژیم حرکتی نوسانی دیده شده که پس از رها شدن جسم در جریان آزاد، به سبب شتاب گرفتن جریان از روی مدل نیروی گشتاوری زیادی به صفحات وارد شده و تغییرات زاویه‌ای مدل زیاد می‌باشد ولی پس از گذشت مدت زمانی دامنه نوسانات حول زاویه تعادلی 45 درجه، کاهش می‌یابد. وقوع رژیم حرکتی دورانی در نسبت طولی 1 و سرعت جریان آزاد (m/s)30 در زوایای حمله اولیه پایین می‌باشد ولی نتایج تجربی و عددی نشان می‌دهد، همچنان در زوایای حمله اولیه بالا نزدیک به °45 به سبب کاهش نیروی گشتاوری وارد شده به صفحات، نوع حرکت به صورت نوسانی است. در نسبت طولی 3 و سرعت جریان آزاد (m/s) 13 رژیم حرکتی دورانی در تمامی زوایای حمله اولیه دیده می‌شود. همچنین در نسبت طولی 4 در تمامی زوایای حمله اولیه و سرعت‌های جریان آزاد مختلف رژیم حرکتی دورانی به سبب افزایش مساحت صفحات قرار گرفته در جریان آزاد بروز می‌کند.

Keywords [فارسی]

  • جریان ناپایا
  • روش شبکه بندی گردابه
  • حرکت چرخشی و ارتعاشی
  • ارتعاش اجباری
  • آزمایشات تونل باد
[1]Van Dyke, M.,(1982). An Album of Fluid Motion, 10th Edition. Parabolic Press,Stanford, CA, USA.
 [2] Feng, C. C.,(1968).  The measurement of vortex induced effects in flow past stationary and oscillating circular and d-section cylinders,(Master’s Thesis), The University of British Columbia, Canada.
[3]  Amandolese, X., Hemon, P.,(2010). “Vortex-induced vibration of a square cylinder in wind tunnel,”Comptes Rendus Mecanique 338, pp. 12-17.
 [4]Umemura, S., Yamaguchi, T., Shiraki, K.(1971). “On the vibration of Cylinders caused by Karman Vortex,”Bulletin of Japan Society of Mechanical Engineering, Vol.14, No.75,  pp.929-936, 1971.
[5]  Sarpkaya, T.,(1979). “Vortex-induced vibrations, a selective review.”Journal of Applied Mechanics, Vol.46, No.2, pp.241-258.
 [6] Sarpkaya, T.,(2004). “A critical review of the intrinsic nature of vortex induced vibration,”Journal of Fluids and Structures, Vol. 19(4), pp. 389-447.
[7]  Scanlan, R. H., Rosenbaum, R.,(1968). Aircraft vibration and flutter. Dover, New York, USA.
[8]  Protos, A., Goldschmidt, V. W., Toebes, G. H.,(1968). “Hydroelastic forces on bluff cylinders.”ASME Journal of Basic Engineering, Vol.90, No.3, pp.378-386.
[9]  Bearman, P. W. ,Obasaju, E. D.,(1982). An experimental study of pressure fluctuations on fixed and oscillating Square-Section cylinders. Journal of Fluid Mechanics, Vol.119, pp.297–321.
[10]Williamson, C. H. K., Roshko, A.,(1988), “Vortex formation in the wake of an oscillating cylinder,”Journal of Fluids and Structures, Vol. 2(4), pp.355-381.
 [11]Griffin, O. M., Skop,R. A., Ramberg,S. E.,(1976). “Modeling of the vortex-induced oscillations of cables and bluff structures,”Society for Experimental Stress Analysis Spring Meeting, Silver Spring, MD, USA.
[12]Kiya, M., Arie, M.,(1980). “Discrete-vortex simulation of unsteady separated flow behind a nearly normal plate.”Bulletin of Japan Society of Mechanical Engineering, Vol. 23, No.183, pp. 1451-1458.
 [13]Isvand, H.,(2002). Numerical and experimental investigation of free rotational and oscillations of body in air flow,(PhD Thesis), Mosco State University, Russia.